基于物联网技术的智能变电站辅助控制与监测系统设计与.pdf

第 39 卷第 4 期2011 年 4 月Vol 39No 4Apr2011基于物联网技术的智能变电站辅助控制与监测系统设计与应用鲁东海，孙纯军，秦华(江苏省电力设计院，南京211102)摘要:针对目前变电站图像监视、火灾报警及采暖通风等辅助生产系统智能化管理程度不高的现状，结合物联网技术，提出以传感测控网络为基础搭建一个全站辅助控制与监测系统平台的设计思想。在该系统的站内控制主机设置一套后台系统，采用 IEC 61850 通信协议将辅助生产系统监测数据上传远方集控中心，接收并执行远方集控中心下发的各项指令，实现各辅助生产子系统内部及相互之间的协调联动。根据智能运行管理需要将辅助控制与监测系统分成 10 个子系统，描述了各子系统的典型智能应用方案。将该设计方案在无锡西泾 220 kV 智能变电站的应用情况与常规方案进行了比较，结果显示本设计方案适应智能变电站辅助生产系统自动控制、智能调节及协调联动等需求，开拓了物联网技术在智能变电站中的应用新领域。关键词:物联网;智能变电站;辅助控制与监测系统;智能运行管理;IEC 61850作者简介:鲁东海(1981-)，男，硕士，工程师，主要从事电力设计工作。中图分类号:TN929 5;TM76文献标志码:A文章编号:1001-9529(2011)04-0567-05基金项目:国家电网公司智能变电站试点工程Design and Application of Auxiliary Control and Monitoring Systemfor Intelligent Substation Based on Internet of ThingsLU Dong-hai，SUN CHun-jun，Qin Hua(Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China)Abstract:The existing Auxiliary production system in substations has not achieved highly efficient intelligent manage-ment，especially in the way of image monitoring，fire alarming，heating and ventilating This paper proposes to design asystem based on Internet of things，in which an auxiliary control and monitoring system platform for the total substa-tion is established on the basis of sensor and control networks A backstage system is installed in the host controller atsubstation，and the data of auxiliary production system monitored by network of things is communicated by IEC 61850standard between the substation and the centralized control center According to the requirements of intelligent opera-tion management，the auxiliary control and monitoring system is divided into ten subsystems，and typical intelligent ap-plication scheme of each subsystem is described in this paper Finally，the benefit comparison is made between con-ventional scheme and the new scheme applied in 220 kV Intelligent Substation in Xijing Wuxi，which verifies the highadaptability of the new scheme and exhibits the bright application prospect of Internet of Things in intelligent substa-tion managementKey words:Internet of Things;intelligent substation;auxiliary control and monitoring system;intelligent operationmanagement;IEC 61850Foundation items:Key Science and Technology Project of State Grid Co of China智能变电站要求全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化，并可根据需要支持实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能1。目前智能化大多强调在线监测、数据分析、自动执行和高级应用功能2，对图像监视、火灾报警及采暖通风等辅助生产系统智能运行管理尚未涉及。随着对智能变电站理解的不断深入，搭建一个全站辅助控制与监测系统平台，对变电站辅助生产系统进行智能运行管理，成为智能变电站新的智能化发展趋势。物联网是建立于物与物、物与人之间的网络，它通过装置在各类物体上的电子标签、传感器及05682011，39(4)二维码等，经过接口与网络相连，从而给物体赋予智能，可以实现人与物体、物体与物体间的沟通和对话3。因此，物联网可实现对物理世界的高度认知和智能化决策控制。对变电站辅助生产系统进行智能运行管理，首先依赖于对辅助生产系统各个环节运行参数的在线监测和实时信息掌控，基于此，物联网作为“智能信息感知末梢”，成为推动智能变电站发展的重要技术手段。物联网技术在常规变电站辅助生产系统中已经有很大一部分技术与之相适应，如目前大多数变电站配置的视频监控与安全警卫装置4、自动火灾报警装置5、水位监测报警装置及通风装置6，部分变电站配置的高压设备温度无线监测系统7 和智能巡检系统8 亦属此列。上述应用虽然涉及到了物联网技术中的传感器技术，但所形成的装置是各自独立、不具备智能对话功能的小型自动化装置，形成多个信息孤岛，需要人工来关注、理解和处理这些设备的信息，没有达到智能变电站智能运行管理的要求。为此，本文提出一种在智能变电站中利用物联网技术搭建一个全站辅助控制与监测系统平台的设计思想，利用该系统实现对全站辅助生产系统的控制与监测，并在后台采用 IEC 61850 通信协议实现各辅助生产系统内部及相互之间的协调联动和信息远传，以达到对智能变电站辅助生产系统实行智能运行管理的要求。1设计方案11总体方案利用物联网技术，通过对外界的感知，构建传感测控网络。在传感测控网络基础上建立辅助控制与监测系统，实现图像监视、安全警卫、火灾报警与消防及采暖通风等功能的集成，实现 辅助生产系统智能监测、智能判断、智能管理、智能验证等功能。辅助控制与监测系统分 3 层:第一层为远方集控站管理主机，第二层为站内控制主机，第三层为由物联网组成的变电站各辅助生产子系统(系统构架见图 1)。第一层功能:远方集控站管理主机接收站内控制主机处理后的各辅助生产子系统运行工况，包括各种异常情况处理结果、视频录像等，同时集控站操作人员下发各种控制指令，如推画面、启动风机、调节空调温度等，实现对辅助生产系统远程图 1辅助控制与监测系统架构图控制。第二层功能:站内控制主机接收传感网络监测到的数据，评估辅助生产系统的运行状态，自动判出各类异常情况，执行判断结果，实现各辅助生产系统内及相互之间的协调联动，消除异常情况造成的影响;形成异常情况处理过程报告，及时将结果上报远方集控中心，接收并执行远方集控中心下发的各项指令。第三层功能:由物联网组成的变电站各辅助生产子系统，包含感知用传感器及汇聚节点(传感网络)和执行用智能终端(声光报警、智能风机及空调等)。传感器包括高清摄像机、围墙震动传感器、感温感烟传感器、无线温湿度传感器、水位传感节器及 SF6气体传感器等，各传感器监测的数据经汇聚节点汇聚后上传至站内控制主机，智能终端执行站内控制主机处理的结果，如排风抽湿、自动调节空调温度、发出声光告警信号以及在火灾时自动闭锁风机防止火灾蔓延等。12传感网络组网方案有线组网方式特点:通信线路稳定可靠，维护简单，但安装地点易受限制，布线复杂。无线组网方式特点:安装地点不受限制，无需布线，现场施工方便，但通信易受电磁干扰，抗干扰技术复杂，生产成本高。根据变电站的实际情况，布点多用量大及用在高压带电设备上有绝缘要求的传感器采用无线鲁东海，等基于物联网技术的智能变电站辅助控制与监测系统设计与应用0569传感器，如用于对环境温湿度、高压设备运行温度感知的传感器，以此组成无线传感器网络 WSN(Wireless Sensor Network)。其他辅助生产系统的传感器布点少、无绝缘问题且易于布线采用有线网络，以降低成本且便于维护。13协调联动方案在站内控制主机设置一套后台系统，采用IEC 61850 通信协议实现各辅助生产子系统内部及相互之间的协调联动，方法如下:(1)建立各传感器的编号及各预置位与代表 GOOSE(GenericObject Oriented Substation Event)事 件 内 容 的GOOSE 变量列表成员之间的映射关系;(2)站内控制主机捕获并解析 GOOSE 报文;(3)根据映射关系找到与 GOOSE 事件相关的传感器，通过多传感器协同感知及图像复核确认该事件;(4)调用该事件相关控制函数，实现切换视频通道、启动或闭锁终端设备(风机、空调及排水泵等)、完成数据储存、发送事件报告及报警等一系列协调联动。协调联动功能及各种 GOOSE 事件的控制函数采用软件编程实现，当多种事件同时发生时，按照程序预先设定的优先级自动处理，协调联动程序框架如图 2 所示。图 2协调联动程序框架图2辅助控制与监测系统的智能化应用辅助控制与监测系统的智能化应用是智能变电站中一个全新的智能化应用领域，也是变电站辅助生产系统适应智能运行管理需要所进行的应用拓展。在智能变电站的演变过程中，根据技术发展和管理需要将辅助控制与监测系统分成 10个子系统，各子系统的典型应用包括:(1)图像监视子系统采用智能高清摄像机结合图像识别技术，自动识别、跟踪进入视场范围内的目标，图像自动弹出在监视器的最顶层，值班人员可迅速直观的看到现场的实际情况。(2)安全警卫子系统针对图像监视子系统的不足，组建多类型传感器(如围墙震动传感器)协同感知网络，实现全新的目标识别、多点融合和协同感知;声光报警设备向现场进行声光告警，值班人员通过麦克风设备向现场通话告警，警告可疑人员;当入侵目标强行翻越围墙时，启动电子围栏击退入侵目标，电子围栏可远程设定投退。(3)火灾报警及消防子系统以物联网技术理念集成现有成熟产品，通过读取感烟感温传感器的信号，结合图像识别、环境温度等信息，实现对变电站火灾的智能检测、报警及主变充氮灭火的联动处理;实现对各种消防设备的状态检测与故障警报;实现火灾时与空调、风机的闭锁联动。(4)采暖通风子系统通过无线温湿度传感器监测室内外的温湿度情况，经无线传感器网络(WSN)传送至汇聚节点，再经有线网络上传站内控制主机;主机根据室内外温湿度状况对空调的温度、排风机的风向等进行自动控制;当发生火灾时与火灾报警子系统联动闭锁空调、风机，防止火灾蔓延。(5)给排水子系统。安装水位传感器对污水池、电缆沟等位置进行水位监测，当水位告警时启动摄像头联动，查看现场情况，远程查询积水情况，远程控制排水泵运行。(6)GIS 室 SF6泄漏监测子系统实现 SF6气体泄露监测及智能处理。系统实现的功能有:SF6气体泄漏的漏点定位监测;当 SF6浓度超标时发出告警信号，提示值班人员勿入;启动风机联动，实现风机自动排风;远程查询 SF6监测情况，确保系统安全可靠运行;当巡视人员计划进入 GIS 室时，提前远程开启风机排风，减少等待时间。(7)智能巡视子系统。在巡视路径关键点设置高清摄像机(与图像监视子系统共享)，巡检人员身穿带可识别标志的巡视服装按设定路径进行巡视;系统通过智能视频识别技术，自动识别巡视人员是否经过了某个关键点，记录下巡检人员在05702011，39(4)经过关键点的时间与对应视频信息;根据预先设定的规则对本次巡检的质量情况进行判断，对质量欠佳的巡视进行提示。(8)防误入带电间隔子系统。在远方或变电站控制室，根据操作票提供的检修范围在系统后台的电气平面图上绘出虚拟的安全措施防护围栏;安监人员在现场布置可识别安全措施围栏;检修人员身穿带可识别标志的检修服装进入现场进行检修操作;现场高清摄像机(与图像监视子系统共享)对可识别安全措施围栏及检修人员进行识别，当识别出现场检修人员进入范围与虚拟安全措施围栏范围不一致时，即判断为误入带电间隔，系统发出告警信号。表 1常规方案与辅助控制与监测系统方案效益比较子系统名称常规方案辅助控制与监测系统方案图像监视、安全警卫子系统主动报警功能有欠缺，不能对闯入者的动机进行提前判断;入侵地点实时定位、跟踪拍摄功能不强;变电站周边环境和天气情况改变后容易影响设备误警、漏警率;与其它辅助系统的联动功能不强。对变电站围墙、大门进行全方位布防监视，有人非法闯入后报警处理;监测站内设备及工作环境，满足监视记录设备运行情况的需要。火灾报警及消防子系统与图像监视系统没有做到联动，发生事故后，远方人员只能手动切换事故画面，降低事故处理效率。与图像监视子系统协调联动，提高事故处理效率，减少误警、漏警率 90%。给排水子系统污水泄漏及其它原因造成的室内或其它部位积水，缺乏监测手段。对变电站内积水情况进行实时监测，自动实现积水排放。采暖通风子系统室外温湿度变化时，不能实时调节采暖通风空调系统的切换运行，造成设备运行时间较长，增加运行费用。依靠设备本身的温湿度测量元件调整出力，减少运行费用 30%。GIS 室 SF6泄漏监测子系统只能对 GIS 室 SF6泄漏状况进行简单监测，浓度超标时告警、排风。对 GIS 室 SF6泄漏点精确定位，监测数据可远传，浓度超标时告警、排风，可远程开启风机，减少巡视人员等待时间。智能巡视子系统巡视工作内容繁重，容易出现漏检、错检的情况。大大提高了巡视的工作效率，减少漏检、错检的概率达 90%。防误入带电间隔子系统检修人员由于设备的外观完全一样，在进行操作过程中容易出现人员走错间隔、酿成事故问题。以往除了靠人为判断外，没有其它有效的防范措施。自动判定检修操作人员是否在围栏安全区内，100%避免检修过程中走错间隔的概率。设备运行温度在线监测、主变红外热成像诊断子系统对高压输变电设备可能的发热处，如:动力电缆、电缆接头、刀闸触点、开关静触点、铜排连接点、电抗器、电容器外壳和设备安装环境内与场地，主变热点温度需要运行人员到现场测量、记录，工作量大。在线实时测量，实时上传，无需现场测量，可将原来巡视周期由每周一次减少为每月一次，且巡视工作量减少 80%。(9)高压设备运行温度在线监测子系统。无线温度传感器采用结构胶安装方式，直接安装在高压输变电设备可能的发热处，如:动力电缆、电缆接头、刀闸触点、开关静触点、铜排连接点、电抗器、电容器外壳和设备安装环境内与场地，实现温度和温升的高可靠实时状态监测。温度信息经无线传感器网络(WSN，与采暖通风子系统共享)上传至站内控制主机，主机通过比较设备与环境的相对温升、室内与室外大气的相对温升，分析可能的过热情况，提前发出预警信号，提醒管理人员进行处理。(10)主变红外热成像诊断子系统。考虑到以往主变压器温度监测的缺陷，安装主变压器红外热成像仪，结合图像监视子系统的高清摄像机对主变压器进行实时热图像监测;主变红外热成像诊断子系统提供诊断软件，进行远程监控、测温分析、录像及报警等一系列操作。3辅助控制与监测系统的智能化应用效益评估辅助控制与监测系统设计方案在国家电网公司首批智能变电站试点 无锡西泾 220 kV 智能变电站9 得到应用，从工程实施的实际效果看，基本实现了设计之初的预期:变电站所有辅助生产设备均能自动协调联动，减少了人工干预，多传感器协同感知及智能图像识别技术保证无误判误动，达到了对智能变电站辅助生产系统实行智能运行管理的目的，各子系统实施效果如表 1 所示。4结语目前变电站配置的图像监视、安全警卫、火灾报警、消防、给排水、采暖通风等辅助生产系统均为独立设置的，距离智能变电站智能运行管理的要求还有一定差距。随着物联网技术与智能变电鲁东海，等基于物联网技术的智能变电站辅助控制与监测系统设计与应用0571站技术的不断深入，利用物联网技术建立传感测控网络，使变电站各自独立的图像监视、安全警卫、火灾报警、消防、给排水、采暖通风等辅助生产系统通过统一的通信规约实现集成应用，必将为智能变电站全新的设计理念。本文设计的辅助控制与监测系统适应智能变电站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化的要求，满足辅助生产系统信息采集、控制及监测等功能需求，实现了辅助生产系统的自动控制、智能调节及协调联动等智能化应用，提高了工作效率、电网安全性和经济效益。参考文献:1国家电网公司 智能变电站技术导则S 2009 2陈文升，钱唯克，楼晓东 智能变电站实现方式研究及展望J 华东电力，2010，38(10):1570-1573CHEN Wen-sheng，QIAN Wei-ke，LOU Xiao-dong Study andprospect of realization way of smart substation J East ChinaElectric Power，2010，38(10):1570-1573 3卢志俊，黄若函，周招洋 物联网技术在智能电网中的应用J 电力系统通信，2010，31(213):50-52LU ZHi-yong，HUANG Ruo-han，ZHOU ZHao-yang Appli-cation prospects of internet of things in smart gridJ Tele-communications for electric power system，2010，31(213):50-52 4刘祥志，娄坚鑫，郑清风，等 变电站视频监控系统中行为识别功能设计与实现J 电力系统自动化，2010，34(22):117-119LIU Xiang-zhi，LOU Jian-xin，ZHENG Qing-feng，et al De-sign and implementation of Behavior identifing functions insubstation video monitoring 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22 003 MW，同比增长 1 658 MW，增长率为 8 15%，增长率较 2010 年同期下降 10 58 个百分点;最大发电出力 18 086 MW，同比增长 1 635 MW，增长率为 9 94%，增长率较 2010 年同期下降22.83 个百分点;最大受电负荷 5 740 MW，同比增长 1 048 MW，增长率为 22 34%，增长率较 2010 年同期上升 42 35 个百分点。总用电量 331 37 亿 kWh，同比增长 27 35 亿 kWh，增长率为 9 00%，增长率较 2010 年同期下降 8 71 个百分点;总发电量 272 76 亿 kWh，同比增长 26 53 亿 kWh，增长率为 10 77%，增长率较 2010 年同期下降 21 93 个百分点;总受电量 58 61 亿 kWh，同比增长 0 83 亿 kWh，增长率为 1 43%，增长率较 2010 年同期上升 21 93 个百分点。上海电网统调机组总发电量为 272 76 亿 kWh，与 2010 年同期相比增长 10 77%，年累计发电利用小时数为 1 313h，平均发电负荷率为 87 10%。11 家公用电厂(含石二新厂)的发电量为 214 64 亿 kWh，与 2010 年同期相比增长12.56%，年累计发电利用小时数为 1 586 h。总受电量 58 61 亿 kWh，与2010 年同期相比增长1 43%，总受电量占总用电量的比例为17 69%，较2010 年同期下降 1 33 个百分点。最大受电负荷 5 740 MW，最大日受电量 9 204 万 kWh，出现在 1 月 3 日。当日受电量占当日用电量(37 798 万 kWh)的比例为 24 35%，也是 2011 年 1 3 月日受电量占日用电量比例的最大值。(本刊讯)